露天礦爆破安全評(píng)價(jià)影響因素與預(yù)防研究

曾 晟，何 旺，劉其兵

（1.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省云峰水泥有限公司，湖南 邵陽 422411）

爆破作為露天礦山開采主要方式，它以準(zhǔn)確、高效和快捷的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)為礦山企業(yè)獲得了優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益，但是隨著開采規(guī)模的擴(kuò)大和強(qiáng)度的提高，爆破沖擊和飛石的問題層出不窮，帶來的爆破安全隱患隨之增加，作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)也在不斷提升。眾所周知，嚴(yán)重的爆破安全事故不僅會(huì)導(dǎo)致爆區(qū)內(nèi)的人員傷亡、設(shè)備損壞和環(huán)境破壞，還會(huì)影響爆區(qū)外一定范圍內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)和居民正常生活。建筑結(jié)構(gòu)的垮塌和振動(dòng)造成的不舒適感促使居民投訴和索賠[1]，進(jìn)而導(dǎo)致礦山生產(chǎn)工期的延誤和礦山經(jīng)濟(jì)的損失，不利于礦山開采工作的和諧發(fā)展。

伴隨數(shù)字化、信息化和互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來，爆破數(shù)字化系統(tǒng)和爆破信息化智能管控系統(tǒng)在工程爆破中得到廣泛應(yīng)用[2]、數(shù)碼電子雷管的精準(zhǔn)起爆技術(shù)得到企業(yè)的認(rèn)可[3]、液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)的初步使用[4]和爆破作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化要求[5]等，均為爆破安全性提供了保障。雖然爆破技術(shù)被不斷的更新，機(jī)械設(shè)備也越來越先進(jìn)，但影響露天礦山爆破安全的因素很多，安全問題依舊存在。因此本文從地質(zhì)條件、爆破規(guī)模、爆破施工、周邊環(huán)境和安全管理五個(gè)方面分別闡述了影響爆破安全的因素，總結(jié)露天礦山爆破安全問題的預(yù)防措施，并且指出現(xiàn)階段預(yù)防措施的不足之處和提出爆破技術(shù)發(fā)展方向。為我國(guó)露天礦山安全、高效和綠色開采提供借鑒和指導(dǎo)意義。

1 露天礦山爆破安全的影響因素

為了解決露天礦山爆破安全問題，必須了解清楚導(dǎo)致爆破安全的主要因素。最重要的影響因素是地質(zhì)條件、爆破施工和安全管理，其次是爆破規(guī)模和周邊環(huán)境。根據(jù)不同露天礦山的實(shí)際情況，找到與之對(duì)應(yīng)的影響因素，并采取有效的預(yù)防措施，規(guī)避爆破安全事故。

1.1 地質(zhì)條件

大部分爆破工程設(shè)計(jì)和施工對(duì)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的勘察不盡詳細(xì)，設(shè)計(jì)與施工一般采用工程類比法或經(jīng)驗(yàn)法，這樣容易因地質(zhì)條件不明確導(dǎo)致爆破事故的產(chǎn)生。因此在設(shè)計(jì)與施工之前必須對(duì)工程及其周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查，必須對(duì)被爆巖石的種類與性質(zhì)、特殊地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)信息全面的了解，同時(shí)在爆破施工時(shí)隨時(shí)注意地質(zhì)條件的動(dòng)態(tài)變化，才能保障爆破工程的安全。

炸藥的選擇與被爆巖石的種類與性質(zhì)息息相關(guān)，僅依據(jù)波阻抗匹配理論選擇炸藥并不完全合理。因?yàn)檫x擇炸藥與巖石的波阻抗相近就非常困難，需要考慮到炸藥、巖石和孔網(wǎng)參數(shù)等綜合影響因素條件下爆破全過程的能量傳遞關(guān)系以及炸藥與巖石全過程匹配的情況。此外，不能只考慮巖石波阻抗選擇炸藥，還需要根據(jù)巖石的堅(jiān)硬性程度。一般而言，高阻抗的堅(jiān)硬巖石采用爆速高的炸藥，中阻抗的中硬巖石采用中爆速的炸藥，低阻抗的松軟巖石采用爆力較高和爆容大的炸藥?？偟脕碚f，選取炸藥品種時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮巖石波阻抗和普氏系數(shù)，防止因炸藥品種的誤選，導(dǎo)致安全事故的產(chǎn)生。在鉆孔填裝炸藥階段，可能遇到巖溶和地下水等特殊地質(zhì)條件。當(dāng)藥包置于溶洞上方進(jìn)行拋擲爆破時(shí)，因?yàn)樗幇饺芏淳嚯x小于最小抵抗線，所以爆破釋放的能量向溶洞方向聚集；當(dāng)溶洞或溶蝕縫位于藥包前的最小抵抗線方向或附近時(shí)，會(huì)引起爆破能量泄漏，改變最小抵抗線的距離，引發(fā)“沖天炮”的現(xiàn)象。若爆區(qū)存在地下水層，且地下水位較低，位于藥包下方，此時(shí)地下水通道容易出現(xiàn)水通道破裂的情況。而地下水位較高時(shí)，孔壁因鉆孔破裂導(dǎo)致孔內(nèi)積水，裝入藥卷，經(jīng)常因?yàn)樗×?，藥卷?huì)脫節(jié)不連續(xù)，而不發(fā)生殉爆，造成安全隱患。在爆炸的過程中，爆破應(yīng)力波在巖體中傳播遇到結(jié)構(gòu)面將產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，不同類型的結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破安全產(chǎn)生不同的影響。張家明等[6]發(fā)現(xiàn)爆破層裂效應(yīng)會(huì)改變軟弱夾層（原生結(jié)構(gòu)面）與圍巖的接觸狀態(tài)，減小它們之間的凝聚力和摩擦力，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低；藥包位置與斷層或?qū)永砻妫?gòu)造結(jié)構(gòu)面）的相對(duì)位置和產(chǎn)狀不同會(huì)改變破裂線作用方向，容易造成爆破的欠爆留埂，使定向爆破失效；而前排先爆炸藥對(duì)后排未爆炸藥的巖體產(chǎn)生爆破裂隙（次生結(jié)構(gòu)面），后排炮孔爆破產(chǎn)生的高壓氣體會(huì)沖擊巖體的爆破裂隙并可能產(chǎn)生飛石傷人損物的現(xiàn)象。種種跡象表明，巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破安全有著重要的影響。

1.2 爆破規(guī)模

露天礦山大規(guī)模爆破具有爆破持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、起爆炮孔數(shù)目多和爆破用藥量大等特點(diǎn)的巖土爆破。即便爆破振動(dòng)峰值速度小于安全振動(dòng)速度，建筑砌體由于爆破持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)產(chǎn)生累計(jì)振動(dòng)破壞；一次爆破起爆炮孔數(shù)目過多，采用孔外延期起爆網(wǎng)路時(shí)，由于孔間延遲時(shí)間太長(zhǎng)，在傳爆過程中，導(dǎo)爆管會(huì)因?yàn)橄缺诳装l(fā)生巨大位移被拉斷或被高速的爆破飛石切斷，造成盲炮的現(xiàn)象[7]。當(dāng)大規(guī)模爆破采用齊發(fā)爆破方法時(shí)，因總裝藥量過大，安全振動(dòng)速度不變，根據(jù)薩道夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的距離就會(huì)增加，爆破振動(dòng)的危害范圍也隨之?dāng)U大。另外隨著礦區(qū)開采量的增加，爆破員和安全員的勞動(dòng)強(qiáng)度也隨之增加。思想上會(huì)“開小差”、麻痹大意和忽視安全，行動(dòng)上簡(jiǎn)化操作流程，給施工作業(yè)安全帶來隱患。

1.3 爆破施工

露天礦山爆破作業(yè)是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)且專業(yè)技術(shù)要求很高的施工工作，爆破技術(shù)人員、爆破員和安全員等必須具備良好的心理素質(zhì)和專業(yè)的技術(shù)手段。但是當(dāng)前相關(guān)人員的施工質(zhì)量和操作水平卻不容樂觀。爆破施工最重要也最危險(xiǎn)的物品是炸藥和雷管，它們?cè)诒谱鳂I(yè)過程中存在極大的不穩(wěn)定性和安全隱患，操作不當(dāng)容易造成安全事故。而沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)藥量進(jìn)行裝藥的情況則更加危險(xiǎn)，容易導(dǎo)致炸藥的使用量過大，引發(fā)大規(guī)模的爆炸事故。有的露天礦為了降低開采的成本，使用引線較短的雷管，導(dǎo)致起爆雷管距離施工人員安全距離太小，造成嚴(yán)重的人員傷亡。更有甚者，部分小型礦山為了節(jié)約炸藥成本，使用自制的土玩意來減少炸藥和雷管的數(shù)量。在這種形勢(shì)下，使得露天礦山爆破作業(yè)的安全事故發(fā)生頻率成倍增加。

1.4 周邊環(huán)境

爆區(qū)附近存在高壓線時(shí)，在一定的范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，對(duì)在此范圍內(nèi)工作的施工人員的人身安全造成嚴(yán)重威脅，當(dāng)感應(yīng)電流超過電雷管的最大安全電流時(shí)，容易引起早爆現(xiàn)象。當(dāng)附近存在多層建筑物時(shí)，不僅需滿足底層振動(dòng)速度小于安全振速的要求，還需滿足主振頻率大于構(gòu)筑物自振頻率，否則頂層可能因?yàn)榈皖l爆破振動(dòng)存在高程放大效應(yīng)導(dǎo)致?lián)p壞[8]。當(dāng)爆區(qū)附近存在大壩時(shí)，雖然常規(guī)爆破不會(huì)對(duì)大壩產(chǎn)生直接影響，但爆破振動(dòng)不只是影響大壩的穩(wěn)定，還會(huì)影響大壩內(nèi)相關(guān)高精度電子儀器。電子儀器抗振性能弱，一旦損壞，大壩的安全性大幅下降，就可能出現(xiàn)無法想象的損失。

1.5 安全管理

隨著全國(guó)各地試行和落實(shí)安全操作規(guī)程和安全管理制度等相關(guān)規(guī)章制度，大部分露天礦山企業(yè)已基本實(shí)施并存檔。仍有小部分露天礦山由于主要負(fù)責(zé)人的疏忽大意，并沒有將規(guī)章制度上墻公示或只上墻公示不太重要的部分，導(dǎo)致下面的安全管理人員也很少進(jìn)行定期的安全培訓(xùn)教育、安全隱患的排查和治理、特種設(shè)備檢測(cè)和維修等相關(guān)安全生產(chǎn)管理工作。與此同時(shí)安全管理工作責(zé)任也不清晰，職責(zé)界線也模糊，管理人員職責(zé)交叉又混亂，設(shè)置的管理機(jī)構(gòu)根本無法滿足相關(guān)法規(guī)的要求。甚至部分企業(yè)將礦山生產(chǎn)直接外包給其他單位，導(dǎo)致安全管理工作缺失，隱患整改不力，出現(xiàn)爆破安全事故不斷頻發(fā)，卻無人負(fù)責(zé)的現(xiàn)象。

2 露天礦山爆破安全預(yù)防措施

2.1 詳細(xì)勘察地質(zhì)條件

在影響爆破安全的重要因素中，爆破施工和安全管理等均主觀可控，唯有地質(zhì)條件是客觀動(dòng)態(tài)的。又因?yàn)榈刭|(zhì)勘察數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)爆破方案的先決條件，因此有必要對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘察。傳統(tǒng)的爆破設(shè)計(jì)是把巖石看作均質(zhì)的前提下進(jìn)行的，根據(jù)巖石的波阻抗和普氏系數(shù)確定炸藥單耗，再根據(jù)臺(tái)階高度及炮孔直徑確定其他爆破參數(shù)。但這種前提條件不能真實(shí)反映巖體的性質(zhì)。葛克水[9]認(rèn)為巖體的力學(xué)性質(zhì)是受巖體中的結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)特征控制，不受巖石類型的限制。所以設(shè)計(jì)方案一旦碰到復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，容易出現(xiàn)爆破安全問題。但傳統(tǒng)的鉆探、槽探和地探勘測(cè)方法對(duì)較大范圍地質(zhì)進(jìn)行詳勘，不僅耗費(fèi)大量人力物力以及時(shí)間成本，而且精度也不高。為了提高地質(zhì)勘察效率，采用多瞬面波技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)，借助脈沖荷載的作用，利用傳感器得到波形圖，分析波形圖中曲線的變化規(guī)律，便可清晰、準(zhǔn)確地對(duì)巖土特性與工程地質(zhì)條件進(jìn)行判斷；或者使用大地電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)勘測(cè)，通過電磁場(chǎng)在不同的介質(zhì)中反射頻率不同來判斷介質(zhì)的構(gòu)造。此外當(dāng)勘察出巖體中有溶洞等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，可以采取有針對(duì)性地避開溶洞或改變爆炸方向，調(diào)整炸藥用量等方法，確保爆破工程的安全性。

2.2 提高爆破施工質(zhì)量

提高爆破施工質(zhì)量，從根本上講，就是提高專業(yè)水平與安全意識(shí)。在露天礦山爆破施工過程中，嚴(yán)禁無證人員進(jìn)行爆破作業(yè)。施工人員上崗前需要進(jìn)行安全知識(shí)與自救技能的培訓(xùn)，使其思想上明確爆破施工的危險(xiǎn)性和安全作業(yè)的重要性，并定期對(duì)管理和施工人員進(jìn)行安全教育和業(yè)務(wù)技能的培訓(xùn)，提高專業(yè)技術(shù)的同時(shí)在他們心中建立起較強(qiáng)的安全意識(shí)。安全意識(shí)的增強(qiáng)應(yīng)該不局限于施工人員，對(duì)不同的職位的人應(yīng)該有不同的側(cè)重點(diǎn)。Zhang Jiang shi等[10]認(rèn)為公司應(yīng)該具有三種安全意識(shí)：高層領(lǐng)導(dǎo)者的“安全責(zé)任意識(shí)”，中層管理人員的“安全管理和監(jiān)督意識(shí)”以及一線員工的“自我安全意識(shí)”。在培訓(xùn)過程中，鼓勵(lì)員工就施工中發(fā)現(xiàn)的安全問題對(duì)培訓(xùn)專家進(jìn)行提問，通過專家的解答消除自身的困惑。在施工單位內(nèi)部，積極開展優(yōu)秀員工表彰大會(huì)，給予優(yōu)秀施工人員金錢和榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)，由優(yōu)秀工作者將自己工作心得傳授給其他人員。不同于專家培訓(xùn)，他們對(duì)爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況更加了解，具有針對(duì)性，能夠快速提高施工人員技術(shù)水平。除了安全知識(shí)和業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)外，合理購買一些必要的設(shè)施設(shè)備，根據(jù)需求引進(jìn)先進(jìn)的爆破設(shè)備與技術(shù)，提升施工人員的現(xiàn)代化設(shè)備使用能力，進(jìn)而提高爆破施工的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

2.3 加強(qiáng)爆破安全管理工作

加強(qiáng)爆破安全管理工作，有利于提高預(yù)見爆破事故的概率，并大幅度降低爆破安全事故的發(fā)生頻率。首先成立爆破安全監(jiān)督小組，確定每個(gè)小組各個(gè)崗位的職責(zé)，要求監(jiān)督小組所有成員全程參加數(shù)據(jù)收集、爆破設(shè)計(jì)方案的制訂、爆前和爆后檢查等監(jiān)督工作。然后完善倉庫管理制度，安排管理人員做好定期對(duì)存儲(chǔ)在倉庫的爆破器材進(jìn)行全面細(xì)致的檢查工作。最后安全員和爆破員要對(duì)運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)的炸藥及其相關(guān)器材要做好復(fù)查，減少安全隱患。在爆破作業(yè)開展之前，就做好前期調(diào)查工作，包括但不僅限于氣象和水文地質(zhì)資料。若遇到特殊惡劣天氣，立刻停止爆破作業(yè)，并迅速撤離到安全地帶；在爆破作業(yè)準(zhǔn)備的過程中，施工人員應(yīng)認(rèn)真嫻熟地對(duì)炮眼進(jìn)行清理驗(yàn)收，科學(xué)檢查起爆網(wǎng)絡(luò)，避免因?yàn)榫€路聯(lián)接混亂而導(dǎo)致發(fā)生事故。起爆前按照安全施工要求設(shè)置警戒線，并對(duì)安全警戒范圍以內(nèi)的人進(jìn)行疏散，要鳴笛警示，發(fā)出引人注意的信號(hào)。在引燃起爆裝置之前，要確保現(xiàn)場(chǎng)所有人員都已經(jīng)撤離警戒線以外。爆炸后需等毒霧散盡，才允許爆破員和安全員進(jìn)入檢查，以免有害氣體進(jìn)入人體造成中毒事件。為了避免爆破飛石造成危害，除了設(shè)置安全警戒線外。還可以在爆區(qū)覆蓋草袋或編織袋裝泥土后壓在孔口部位，防止飛石的飛散。

綜上所述，針對(duì)主要影響爆破安全的地質(zhì)條件、爆破施工和安全管理三個(gè)方面采用的預(yù)防措施進(jìn)行總結(jié)，雖然現(xiàn)有的方法和技術(shù)能夠預(yù)防大多數(shù)的爆破安全問題，但是仍然需要鉆研新的技術(shù)、理論和方法，進(jìn)一步降低爆破安全發(fā)生的概率，確保露天礦的開采安全。

3 結(jié)論

工程爆破是礦山開采必不可少的一道工序，其安全問題一直是我國(guó)礦山安全生產(chǎn)的一大難題。礦山爆破環(huán)境復(fù)雜，危險(xiǎn)性高，影響安全因素多，容易發(fā)生安全事故，威脅人身安全和正常生產(chǎn)，給礦山帶來人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，阻礙著我國(guó)礦山行業(yè)的發(fā)展，因此解決露天礦山爆破安全問題具有重要的意義。為了消除爆破危險(xiǎn)的存在，保障礦山安全，最有效的方法就是提前做好預(yù)防措施。將安全隱患扼殺在搖籃之中，從源頭上斷絕安全事故的產(chǎn)生。本文匯總了露天礦爆破安全采取的預(yù)防措施，發(fā)現(xiàn)它們能夠獨(dú)立預(yù)防大多數(shù)的爆破安全事故，但是依舊存在各部門無法高效協(xié)同的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享以及對(duì)礦山安全狀況的判斷和預(yù)警不足等問題。為了解決此類問題，未來爆破技術(shù)在露天礦的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）推廣無人機(jī)勘測(cè)技術(shù)在露天礦山爆破工程中的應(yīng)用，將無人機(jī)航測(cè)和3D 立體圖重建技術(shù)結(jié)合起來，重建礦區(qū)地質(zhì)的3D立體圖。

（2）開發(fā)新的露天礦山爆破設(shè)計(jì)軟件與數(shù)值模擬模型，輔助設(shè)計(jì)爆破參數(shù)并預(yù)測(cè)爆破后的效果，提前預(yù)防爆破可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

（3）建立基于5G 技術(shù)的露天礦山智能化開采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同的數(shù)據(jù)資源共享，利用智能機(jī)器人完成安全評(píng)估和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)保障礦山安全。